張志巍，姚國年，劉海梅，關艷軍

(中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰　714200)

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偏心測量系統(tǒng)驅動機構的改進設計

張志巍，姚國年，劉海梅，關艷軍

(中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰714200)

摘要：偏心距是彈箭飛行穩(wěn)定性的重要影響因素，其精確測量是保證彈道計算正確性的關鍵；為了解決某些特殊外形的彈體，在利用偏心測量系統(tǒng)測量偏心時，驅動彈體精確轉動的機構出現(xiàn)卡滯、打滑等現(xiàn)象，導致無法自動測量的問題；根據(jù)系統(tǒng)偏心距測量的原理和試驗操作步驟，分析了測量過程設備存在的不足及產生原因，提出了改進支撐和用減速伺服電機增加旋轉力矩的方案，并進行了詳細地設計及計算；驗證結果表明，改進后的系統(tǒng)可以有效解決電機直驅不規(guī)則彈體時出現(xiàn)的問題，測量精度提高了4.15倍；擴大了測量范圍，提高了驅動精度和測量效率，具有很好的應用價值。

關鍵詞：偏心距;自動測量;改進設計;彈道計算

0引言

彈箭偏心位置決定彈箭的射擊散布性能和飛行軌道，它直接影響彈箭的目標命中率，在彈道計算中起很重要的作用。精確測量彈箭的偏心距的大小，為分析研究彈箭性能提供依據(jù)[1]。目前大多采用多點支撐稱重法[2]，測量時，需要在彈體上劃出四等分圓周的母線。任意選擇一條母線，依次轉動被測彈體，使彈體分別處于0°、90°、180°、270°位置，分別測出彈體在相應4個位置時的壓力值，根據(jù)靜力矩平衡原理建立4個狀態(tài)的方程組，從而解得彈箭的偏心距[3-5]。

為了減少人工的誤差和對彈體損傷，偏心距測試系統(tǒng)采用摩擦傳動的原理驅動彈體轉動4個位置，配合編碼器實現(xiàn)轉動角度的控制，保證滾動平穩(wěn)且滾動力矩非常小。為了滿足不同質量段的彈體的測量精度，將彈體分成幾個質量段，每個質量段采用單獨的滾轉部件驅動彈體進行轉動。通過這種方法，摒棄了劃母線的步驟，減小了人為因素的影響，提高了測量精度，節(jié)省了測量工序，提高了測量效率。然而該設備在測量大質量或不規(guī)則彈體時，出現(xiàn)了驅動輪打滑、驅動輪卡滯、驅動力不足等嚴重影響測量精度的問題。針對這種現(xiàn)象，本文詳細分析了測量過程設備的誤差來源，提出了改進方案，并進行了詳細地設計及計算。通過試驗驗證表明，改進后的系統(tǒng)可以有效解決電機直驅不規(guī)則、大彈體時出現(xiàn)的問題，擴大了測量范圍，提高了驅動精度和測量效率，具有很好的應用價值。

1測量原理和測量步驟

1.1測量原理

質偏心測量系統(tǒng)采用多支點稱重法測量偏心距，基本原理：將3個高精確度的壓力傳感器安裝于測試平臺的底部，使該3個傳感器形成等腰三角形(見圖1(a))，被試彈體安放于該測試平臺的V形支架上，從而完成被試品偏心距的測量。

圖1　測量原理圖

其中：F1、F2、F3為各稱重傳感器所受壓力。偏心測量原理如圖1(b)所示。測量時，任意選擇一個位置作為0°，精確轉動被測彈體，使彈體分別處于0°、90°、180°、270°位置，分別通過3個壓力傳感器測出彈體在相應4個位置時的壓力值，然后根據(jù)靜力矩平衡原理有：

(1)

聯(lián)立以上4個方程，則：

(2)

(3)

(4)

(5)

(L為已知固定尺寸)

根據(jù)各位置幾何關系有：

(6)

(7)

1.2測量步驟

由于被測彈體種類多、范圍廣，為了滿足偏心測量精度≤0.01 mm的軍標要求，根據(jù)所有被測彈體質量和長度劃分4個區(qū)間，不同區(qū)間內的彈體用同一個測試平臺測試。試驗時，根據(jù)被測彈體的口徑和重量，選用不同的測試平臺，且不同的測試平臺采用單獨的高精度的稱重傳感器，從而可以測量各種口徑的彈體，并保證其高測量精度。

1.2.1測量系統(tǒng)結構

目前使用的測試系統(tǒng)測量偏心距采用“三點支撐法”，測量設備的基本結構包括測量臺面、不同量程的秤盤及三組壓力傳感器。秤盤結構如圖2所示。在秤盤下有3個支腳，對應3個壓力傳感器測量彈體的重量。測量時彈體放于秤盤上，通過下支撐和上驅動的方式，用手動旋緊“壓塊及絲杠”，使步進電機驅動輪與彈體充分接觸，驅動被測彈體旋轉，被測彈體驅動角度傳感器，角度傳感器向控制軟件回傳數(shù)據(jù)，由軟件控制電機按給定角度旋轉，構成閉環(huán)驅動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)彈體精確旋轉90°。

圖2　偏心距測量秤盤結構

1.2.2測量步驟

測量偏心距的具體步驟：

1)測量時，將彈體放置在V型支座上，利用水平儀和調節(jié)V型支座的高度進行彈體調平。

2)扣緊壓座，使得驅動輪和壓緊輪與彈體充分接觸，以保證電機可以驅動彈體正常轉動，編碼器可以正常讀數(shù)。

3)升起承載壓力傳感器的3個小平臺(位于臺面的下方)到一定高度，使得壓力傳感器與秤盤3個支腳接觸。

4)選擇任意一個位置作為起點進行測量，然后依次旋轉彈體90°，使之分別處于90°、180°、270°，并測出相應這4個位置時傳感器所受的壓力，從而根據(jù)上述靜力矩平衡原理計算出偏心距大小。

2系統(tǒng)不足及分析

2.1系統(tǒng)存在不足

采用倒U型框壓緊彈體上驅動的方式，設備在旋轉90°過程中，有時會出現(xiàn)打滑或轉動不到位的現(xiàn)象，對于保證精度產生很大影響。在測試系統(tǒng)長期的使用過程中，設備存在這些不足都會對測量結果造成較大的誤差[6-8]。

1)前后竄動:在測量部分外形以錐部為主的彈體時，電機驅動輪與彈體接觸面較小，加之錐面的影響，在旋轉過程中，出現(xiàn)彈體前后竄動的現(xiàn)象，如圖3所示。這種前后竄動的現(xiàn)象主要是由于彈體前后均沒有定位，而驅動輪在沿彈體的錐面圓周滾轉時，彈體重力分量的反作用力會推動彈體移動，轉過的圓周越大移動量就越大，從而影響到測量結果。

圖3　電機驅動輪面與彈體接觸面小

2)驅動輪卡滯:在測量部分圓柱度較差的彈體時，當旋轉至外徑較大處時，會使壓力過大，驅動輪卡死難以旋轉，造成驅動輪卡滯，如圖4所示。這種現(xiàn)象出現(xiàn)是由于驅動輪和彈體之間的接觸造成的，在放置彈體的初始位置，彈體截面直徑略小，當旋轉到某一截面直徑略大處時，滾輪和驅動輪就會將彈體卡緊，從而造成驅動輪卡滯的現(xiàn)象。

圖4　電機驅動輪在彈體上的壓力不一致

3)驅動力不足:在測量質量較大的彈體時，步進電機轉矩較小，用直驅方式驅動彈體，存在旋轉驅動力不足的問題，如圖5所示。這種現(xiàn)象出現(xiàn)主要是由于質量較大彈體往往口徑也較大，而遇到偏心略大的彈體時，產生的偏心力矩也比較大，驅動輪大小一定的情況下，采用直驅方法就存在驅動力不足的現(xiàn)象。

圖5　用直驅方式驅動彈體，旋轉驅動力不足

以45 kg稱盤測量8發(fā)82 mm彈體偏心距為例說明。

根據(jù)傳動比

(8)

式中，θa為步進電機步進角；Da為步進電機驅動輪直徑；Db為彈體直徑；θb為彈體步進角。

當Da=50 mm，θa=0.5°，Db=82 mm，則θb=0.3°即步進電機旋轉一個步進角，彈體旋轉約0.3°。

從理論上計算，彈體旋轉完全符合精度要求，但因為步進電機旋轉力矩小，且負載時大時小，導致丟步十分嚴重。

(9)

式中，B為當彈體旋轉一定角度時步進電機應理論旋轉步數(shù)。

當彈體旋轉270°即θb=270°時，電機產生的理論步數(shù)應為885.6步。實測步數(shù)和丟步情況如表1所示。

表1　步進電機驅動彈體旋轉270°時步進步數(shù)

3改進設計及相關計算

3.1秤盤結構改進設計

針對錐形外形的彈體，在轉動過程中會發(fā)生竄動，使得支撐部位的直徑發(fā)生變化，通過編碼器來控制滾轉90°不準確的問題，采取加裝定位機構的辦法。在測量錐形外形的彈體時，前端增加一個可調節(jié)支架。在支架前端制作一個導軌和一個定位擋板結構，導軌與支架水平連接并固定，定位擋板可以沿著導軌前后滑動，可以在導軌隨意位置固定。在測量時，保證錐形外形的彈體在轉動時不會前后竄動。

針對驅動輪卡滯的情況，采取改進驅動結構的辦法?，F(xiàn)有測試設備采用上驅動的方式，即在倒U型框上安裝驅動輪和壓緊輪，以壓緊彈體的同時驅動其轉動。為了避免這種方式帶來的諸多問題，采用下驅動的方式，即在秤盤的支撐輪上加裝電機和編碼器，拆除倒U型框。改進后的結構如圖6所示。

圖6　結構改進設計示意圖

3.2改變支撐方式

將下支撐上驅動改為支撐與驅動合二為一，簡化機械機構，解決驅動輪打滑和卡死不轉的問題。通過對控制步進電機轉角和轉速的脈沖個數(shù)和頻率重新校正，即可使改進后的支撐方式滿足測量要求。

3.3驅動方式改進設計及計算

3.3.1受力分析

針對驅動力不足的情況，采取改進驅動結構和動力源的辦法。經過機械結構的改進后，測量設備自然就成了下驅動的方式。測量設備采用上驅動時，選擇的是步進電機作為動力源。步進電機存在丟步現(xiàn)象，丟步過于嚴重會造成彈體旋轉角度不到位，電機頻繁啟動，卻無法完成偏心測量，嚴重卡滯導致步進電機因過熱易燒毀。因此，改用伺服電機這種控制精度較高的產品作為驅動源。

采用伺服電機配合減速器的方式驅動，解決旋轉力距不足的問題，同時可進一步提高彈體旋轉精度，避免設備改進對測量精度的影響。

由于減速伺服電機存在減速比，啟動轉矩和旋轉精度遠高于直驅電機。下面對旋轉力進行受力分析。

圖7驅動輪受力圖

(10)

(11)

式中，G為被測彈體重力；F為彈體施于驅動輪與角度傳感輪合力；N為彈體施于驅動輪的壓力；θ為力F與力N之夾角。

(12)

(13)

式中，F(xiàn)擦為施于驅動輪的滾動摩擦力；μ為彈體在驅動輪上的滾動摩擦系數(shù)；D為驅動輪半徑；M為驅動彈體的旋轉力矩，則：

3.3.2驅動力矩計算

彈體放置在滾輪的V型支撐上，電機驅動滾輪滾轉，從而帶動彈體滾轉。彈體滾轉需要克服滾動摩擦力矩及偏心力矩，其平衡力距原理如圖8所示。

圖8平衡力距原理圖

滾動摩擦力矩為滾輪所受正壓力乘以滾動摩擦系數(shù)，偏心力矩的最大值為彈體質量乘以偏心力矩，因此彈體滾轉所需的滾轉力矩可用如下公式求得：

(14)

由公式(14)可以看出，正壓力F與支撐包角有關，包角越大，正壓力越大，在實際工程應用中，包角不會超過120°時，正壓力N等于彈體的質量。

在測量質量大的彈體時，選用大秤盤，此時，選擇被測對象的最大質量進行計算。以質量為100 kg，彈徑為122 mm，偏心距為2 mm，滾動摩擦系數(shù)為0.03的彈體為例，由公式(14)計算得到，彈體滾轉驅動力T=82 N，滾輪的直徑R=60 mm，因此，滾輪的驅動力矩M=2.46 N·m。

由于彈體的滾轉速度非常小，一般控制在10 m/s，所需要的功率很小，在上面的條件下，所需功率P=0.8 W。因此，電機及減速器的選型范圍很廣，功率可以滿足要求，主要考慮的是扭矩大小。

在改進設計中選用了松下50 W伺服電機配以1∶60的行星齒輪減速器，減速器的輸出扭矩T=20 N·m，因此選用下驅動的方式驅動100 kg的彈體是沒有問題的。另外，50 W電機加上行星齒輪減速器是可選的最小規(guī)格，因此，該電機所提供的力矩足以驅動產品滾轉。

滾輪的材質為鋼，一般的情況下，鋼-鋼的靜摩擦系數(shù)為0.15，動摩擦系數(shù)為0.1，因此系統(tǒng)提供的最大靜摩擦力為F靜=150 N，動摩擦力為F動=100 N，因此，一般情況下，彈體是不會出現(xiàn)打滑的情況的。

4試驗驗證分析

為了驗證改進后的結構可以實現(xiàn)精確驅動，以劃出四等分母線的彈體進行旋轉度數(shù)的比較。將彈體放置在秤盤上，并用磁性表座上的一個指針確定起始位置，四次旋轉都準確使得指針指向90°、180°、270°位置。

彈體的靜態(tài)參數(shù)不是一個已知量，無法作為標準值進行精度驗證。因此，將一系列標準樣柱作為標準件，采用樣柱的靜態(tài)特征量作為標準值對設備進行驗證[9-10]，測量數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)精度滿足設計要求。以某型彈體樣柱測量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)精度作以闡述，別對使用原有測量設備測量數(shù)據(jù)和使用改進的測試設備測量數(shù)據(jù)進行對比。如表2所示。

表2　樣柱偏心距測量數(shù)據(jù)表

通過對比表2數(shù)據(jù)，在使用原設備前，測量誤差最大為0.25 mm，最小為0.018 mm，平均誤差為0.022 4 mm。

使用改進后設備測量樣柱后，測量最大誤差為0.08 mm，最小誤差為0.04 mm，平均誤差為0.005 mm。

使用原設備和改進后測量設備對測量結果的影響為4.15。測量精度在使用測試系統(tǒng)后測量精度提高了4.15倍。在測量過程中，沒有發(fā)生前后竄動、也沒有出現(xiàn)打滑卡滯等現(xiàn)象，較與原來的設備偏心距測量精度得到了提高，數(shù)據(jù)一致性也有提高。

5結論

根據(jù)偏心距測試系統(tǒng)的基本測量原理，分析了在測量過程中造成測量數(shù)據(jù)精度降低的原因，并進行了機械結構改進和驅動力的詳細計算，試驗驗證了經過改進后的測量設備精度滿足要求，同時也能夠滿足不同形狀和重量彈體的測量，測量效率大大提高，對以后的偏心測量設備設計具有借鑒意義。

1)在結構改進設計中，充分考慮改造的可行性，解決了前后竄動和驅動旋轉卡滯的故障。

2)選用合適的驅動電機和驅動輪設計，解決了大質量彈體測量時驅動力不足的問題。

3)改進后的設備簡化了機械結構，可提高系統(tǒng)的可靠性并提高測量效率, 測量精度提高了4.15倍。

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Improvement Design for Driving Mechanism of Test Equipment Centroidal Deviation

Zhang Zhiwei, Yao Guonian, Liu Haimei, GuanYanjun

(63870 Unit of PLA, Huayin714200, China )

Abstract：Centroidal deviation is an important factor for projectile flight stability, and it is the key for accurate measurement to calculate ballistic trajectory. In order to solve fault about an equipment used to automatically measure centroidal deviation when it is used to test special shape of the projectile. Its accurate driving mechanism has some problems such as clamping stagnation and skid and etc. so. In the paper, according to its measurement principle and test procedures, the equipment deficiencies are analyzed, and the solutions such as improving supporting method and increasing the rotary torque with the deceleration servo motor are put forward, design and calculation are introduced in detailed. The test result shows that the improved mechanism can directly drive irregular projectile with motor, and the measurement accuracy can be improved about 4.15 times. Its measurement range is broaden and its measurement precision and efficiency are improved, so it has good application value.

Keywords：centroidal deviation; automatic measurement; improved design; calculating ballistic

文章編號：1671-4598(2016)02-0158-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.043

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

作者簡介：張志巍(1985-)，男，河北衡水人，碩士研究生，主要從事測控方向的研究。

收稿日期：2015-07-15；修回日期：2015-09-11。